1.2. Одноканальное измерение угловых координат методом анализа огибающей

Направленные свойства антенны осуществляют угловую “окраску” принимаемого сигнала. Смысл окраски состоит в том, что амплитуда и фаза сигнала на выходе антенны зависят от угловой координаты источника излучения. Формально в комплексном виде принятый сигнал можно представить как произведение некоторой комплексной временной функцией , описывающей сигнал, на комплексную диаграмму направленности антенны

, (7)

где К – кооффициент пропорциональности, определяющий интенсивность принимаемого сигнала,  - угловая координата цели.

Из (7) следует, что  формально является параметром принятого сигнала и задача состоит лишь в том, чтобы выделить информацию о величине этого параметра. Однако, оказывается, сигнал, принятый одноканальной системой (при неподвижной антенне), не обеспечивает возможности определения угловой координаты. Причиной этого является неопределённость условий приёма. Неопределённым в (7) является коэффициент К, величина его зависит от расстояния до излучателя, его мощности. В случае активной радиолокации – вида цели, ракурса и т.д. Вследствие неизвестности расстояния до источника излучения неизвестной является и фаза сигнала. Таким образом, угловая "окраска" сигнала, принятого одноканальной неподвижной антенной, не может быть выявлена наблюдателем.

Обычно размеры зоны обзора, в пределах которой осуществляется наблюдение, значительно больше ширины луча. Поэтому обзор произво- дят вращением луча. Зависимость амплитуды принятого сигнала в (7) от разности углов =(-₀) между направлением максимума диаграммы направленности антенной системы ₀ и направлением на цель  используют для измерения угловой координаты цели. Эту зависимость, снятую с выхода приёмника U_вых(), принято называть пеленгационной характеристикой угломерного устройства.

Укрупнённая функциональная схема одноканального угло­мерного устройства по­казана на рис. 4. Меха­низм поворота вращает антенну.Одновременно приводится в действие указатель поворота оси антенны₀, по шкале которого определяется текущее её положение. Отсчёт угловой коорди­наты производится в момент, когда ось антенны направлена на источник излуче­ния (метод максимума). В случае импульсного излучения на выходе приёмного устройства образуется пачка с огибающей, определяемой формой диаграммы направленности и законом вращения луча. Процесс формирования пачки им­пульсов показан на смежных развёрт­ках дальности на рис. 5. Справа изо­бражены соответствующие положения луча относительно направления на цель. Как видно из рисунка, по мере того, как максимум диаграммы совме­щается с целью, наблюдается увели­чение амплитуды импульсов на рас­стоянии t_з=2R/c от начала развёртки. Затем максимум диаграммы проходит через направление на цель, амплитуда импульсов при этом начинает умень­шаться. При заданной ширине диа­граммы направленности _ и угловой скорости вращения антенны . время облучения цели опроделяется соотноше­нием

t_обл=_/ . (8)

Если Т - период повторения импульсов, то число их в пачке

. (9)

За время облучения цели (приёма пачки) её угловую координату практи- чески можно считать постоянной. Покажем это на примере. Пусть цель пролетает мимо РЛС на расстоянии R=50 км (рис. 6) со скоростью V= 0,5 км/с. Период повторения T=1мс, ширина луча _=3,6^о, антенна вращается с угловой скоростью =1 об/с. Тогда время облучения цели

.

Число импульсов в пачке

.

Линейное перемещение цели за время приёма пачки

Угловое перемещение цели

что значительно меньше ширины диаграммы направленности. То есть, за время приёма пачки угловую координату цели можно считать постоянной. Число импульсов в пачке m обычно лежит в пределах 5÷100.

Изменение ориентации цели при движении приводит к изменению фазовых соотношений между сигналами, отражёнными от её частей, что вызывает флюктуации амплитуд импульсов в пачке. Огибающая пачки при этом искажается (рис. 7). Дополнительные искажения огибающей обусловлены также наличием внутриприёмного шума. В этих условиях задача измерения угловой координаты сводится к восстановлению огибающей пачки и определению её центра.

Рассмотрим измерение угловой координаты (по методу максимума) на экране индикатора кругового обзора (ИКО). Линии развёртки дальности вычерчиваются от центра к краю экрана (радиальные линии). Причём направление радиальной линии определяется текущим азимутальным положением оси антенны. При плавном вращении антенны линии развёртки будут смещаться, плотно прилегая друг к другу. Импульсы, отражённые от цели, поступают на засвет индикатора с одинаковым запаздыванием по отношению к началу развёртки. При этом пачка импульсов образует на экране индикатора характерную отметку - "дужку" (рис. 8). Угловые размеры дужки определяются шириной луча. Чем больше угловой размер дужки, тем хуже разрешающая способность РЛС по азимутальной координате, хуже и точность её измерения. Отсчёт угловой координаты_ц осуществляется от яркой радиальной линии, формируемой в момент, когда ось луча направлена на север - N (рис. 8).

В автоматизированных РЛС для оценки центра пачки импульсов часто используется алгоритм фиксации начала и конца пачки. При этом угловая координата центра пачки определяется как среднее арифметическое значение координат оси антенны, соответствующих началу и концу пачки. В качестве критерия начала пачки можно, например, принять обнаружение в какой-либо точке дальности на трёх смежных периодах повторения по крайней мере двух импульсов (2 из 3-х) (рис. 9). Конец пачки определяется по критерию пропуска двух импульсов подряд. Пропуск одного импульса не считается за конец пачки.

Определим структуру логической схемы фиксации начала пачки по критерию 2 из 3-х. Сравнение импульсов пачки с порогом (рис. 9) яв- ляется квантованием по амплитуде на два уровня 0 и 1 (бинарное квантование).

НапряжениеX на выходе квантователя принимает два значения 0 и 1. Результаты сравнения амплитуд импульсов пачки с порогом квантования в трёх смежных периодах повторения обозначим X₁, X₂, X₃. Нумерация в порядке следования импульсов в пачке. Начало пачки будет зафиксировано при комбинациях, указанных в табл. 1. Поскольку угловая координата цели неизвестна, проверку выполнения критерия начала пачки (2 из 3-х) необходимо проводить последовательно по тактам для трёх смежных периодов повторения в каждой точке дальности в соответствии с вращением луча антенны. Для первой и второй строк в табл. 1 решение о начале пачки будет принято уже на позиции X₂, так как логика 2 из 3-х будет выполнена. Поэтому событие У, состоящее в фиксации начала пачки при наличии единицы на позиции X₃, определяется комбинациями третьей и четвёртой строк в табл. 1. Выражая событие У через операции логического сложения и умножения, получаем

. (10)

Из (10) следует, что реализация логики два из трёх требует одной схемы "ИЛИ" на два входа и одной схемы "И" на два входа (рис. 10).

На рис. 11 изображена упрощённая функциональная схема измерения угловой координаты по критерию 2 из 3-х и опреде­ления конца пачки по критерию два пропуска подряд. С выхода приёмника продетектированные сигналы поступают на амплитудно-временной квантователь (АВК), где осуществляется временная дкскрети­зация и квантова­ние по амплитуде.

Временная дискретизация осуществляется стробированием напряжения с выхода детектора короткими импульсами. Период дискретизацииt_k выбирается исходя из теоремы Котельникова. Обычно t_k  _и. (_и - длительность полезного сигнала на входе приёмника). Вся дистанция (период повторения) разбивается импульсами t_k на r точек дальности (r=T/t_k). Квантование по амплитуде производится на два уровня (бинарное квантование). Если величина импульса больше порога квантования, на выходе АВК появляется импульс единичной амплитуды, если меньше - 0 (рис.12 б,в).

Таким образом, сигналы приёмника на выходе АВК преобразуются в цифровую форму - последовательность нулей и единиц. С выхода АВК информация записывается в ячейки регистров сдвига РС-1 и РС-2, соединённые последовательно. Каждый регистр эквивалентен линии задержки на период повторения Т и предназначен для запоминания в цифровом виде информации r -точек дальности, укладывающихся в периоде Т. Обновление информации в ячейках регистра сводится к сдвигу импульсом t_k содержимого ячеек в сторону возрастания номеров ячеек и записи сигналов в первую ячейку регистра РС-1. Так как регистры РС-1 и РС-2 (рис. 11) соединены последовательно, то содержимое последней ячейки регистра РС-1 переходит в первую ячейку регистра РС-2. Информация последней ячейки регистра РС-2 подаётся на вход схемы ИЛИ.

Пусть на выходе АВК в данный момент времени наблюдается кван- тованное напряжение 1-ой точки дальности, тогда на выходе регистра сдвига РС-1 - сигнал первой точки дальности предыдущего периода, на выходе регистра РС-2 - сигнал первой точки дальности ещё на период раньше. Таким образом, на выходах АВК, РС-1 и РС-2 возможен анализ квантованных сигналов первой точки дальности трёх смежных периодов повторения Х₁, Х₂, Х₃. С появлением каждого нового тактового импульса номер точки дальности увеличивается на единицу, пока не достигнет величины r (последняя точка дальности). Затем появляется первая точка дальности. Но при этом, вследствие сдвига содержимого ячеек на период повторения Т (r точек дальности), на выходе регистра РС-2 будет наблюдаться Х₂ (вместо Х₁), на выходе регистра РС-1 - значение Х₃, а на выходе АВК новое значение Х₄. Таким образом, через r импульсов t_k на выходах АВК, РС-1, РС-2 на- блюдаются квантованные значения первой точки дальности Х₂, Х₃, Х₁. Самое раннее значение Х₁ теряется, а добавляется новое Х₄. Такой режим называется режимом скользящего окна. Он хорошо согласуется с плавным изменением углового положения антенны при обзоре.

Фиксация начала пачки по критерию 2 из 3-х осуществляется ло- гической схемой, включающей "ИЛИ" и "И" (рис. 11). Конец пачки определяется по критерию два пропуска подряд и определяется на выходе схемы "И", имеющей три входа (необходимость 3-го входа будет пояснена в дальнейшем).

Так как в каждой точке дальности конец пачки должен фиксироваться лишь после фиксации начала через число периодов повторения, определяемых длительностью пачки, а точки дальности на выходах АПК, РС-1 и РС-2 в реальном времени повторяются циклически (через r тактовых импульсов t_k), то факт фиксации начала необходимо запоминать в кольцевом регистре РС-3. Кольцевой регистр РС-3 так же, как РС-1 и РС-2, рассчитан на r точек дальности. Импульс начала пачки с выхода схемы определения начала пачки проходит через схемы "ИЛИ" и "И" и записывается в текущую точку дальности регистра РС-3. Циклически факт начала пачки в данной точке дальности будет воспроизводиться на выходе регистра РС-3 вместе со значениями на выходах РС-1 и РС-2 и вновь записываться в регистр РС-3 через схему "ИЛИ" даже в тех случаях, если в следующих тактах в этой точке дальности логика начала не выполняется, но не зафиксирован и конец пачки. Это наблюдается в ситуации, когда Х₁, Х₂, Х₃ принимают значения 010 соответственно. Тогда начало не выполнено, так как на трёх смежных позициях нет двух единиц (2 из 3-х), не выполнен и конец - нет двух пропусков подряд.

Конец пачки фиксируется на выходе схемы фиксации конца пачки лишь в том случае, еспи имеется два пропуска подряд и с выхода РС-3 на третий вход схемы "И" поступает импульс начала, зафиксированный на предыдущих тактах в этой точке дальности.

Текущее угловое положение антенны преобразуется в угловой код с по­мощью специального устройства формирования углового кода, состоящего из набора фотоэлементов, источника света, диска с прорезями, жёстко связанного с антенной (рис. 11). Угловые коды, соответствующие фиксации начала пакета, записываются в ячейки адресного оперативного запоминающего устройства (ОЗУ). Адреса указывают номер точки дальности, содержимое ячеек - соответствующий угловой код начала. На схеме рис. 11 условно показано, что ключ начала (КЛ_Н) открывается и пропускает код в ОЗУ. Угловой код, соответствующий моменту фиксации конца пачки, пропускается через ключ конца (КЛ_К) и суммируется с кодом начала, который считывается с ячеек ОЗУ соответствующего адреса.

Возможны другие критерии фиксации начала и конца пачка. Например, начало по критерию 3 из 5, конец - по критерию три пропуска подряд. Метод фиксации начала и конца пачки прост в технической реализации, так как требует лишь сравнения импульсов с порогом и запоминания нескольких периодов квантованных сигналов. Импульсы пачки по амплитуде между собой не сравниваются. Предложен ещё ряд простых алгоритмов определения центра пачки, основанных на накоплении импульсов пачки и определения максимума отклика, на сравнении площадей двух угловых полустробов и т.д. Однако эти алгоритмы определения "центра пачки" являются эвристическими и не обеспечивают потенциальной точности измерения угловой координаты.

Более полное извлечение угловой информации, закодированной в пачке импульсов, обеспечивают алгоритмы, полученные на основе синтеза.